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虚拟按键的触觉反馈建模与渲染

摘要

触摸屏的出现改变了电子产品的交互方式,相比于键盘加鼠标的组合形式,

全触摸屏的操作界面促使交互空间进一步提升,但是牺牲了交互时的真实感触

觉反馈,影响用户的交互效率、交互沉浸感和真实感,削弱了视障人士使用电

子产品的可能性,而为虚拟按键提供触觉反馈可以很大程度的解决上述问题。

虚拟按键的触觉反馈实现主要有两部分工作,分别是反馈模型的建立和渲染方法的

设计。前者是真实感反馈的基础和前提,包括物理按键的结构分析,按下过程中反

馈特征和反馈参数的提取,以及触觉反馈系统的搭建。后者是真实感反馈的关键和

保证,包括驱动信号的设计、加载,以及与反馈模型之间的映射关系。以上工作的

主要难点是在保证触觉反馈系统轻量化、小型化、低时延的同时,要求虚拟按键触

觉渲染效果和真实按键相比相似度较高。

目前虚拟按键触觉反馈的研究分为渲染方法设计和反馈装置设计,主要依靠不

同类型的马达、超声振动器、静电力、以及特有的机械结构来实现。触觉反馈渲染

方法大多忽略按下过程中复杂的状态变化,只关注状态转换瞬间较为突出的效果,

真实感有待提升;或是简单基于内容再现的数据驱动触觉反馈渲染方法,缺乏复杂

的建模过程,多为单一反馈因素起主导作用的应用场景。触觉反馈装置的真实感效

果相对较好,但大多有复杂的机械结构且体积较大,多用于可穿戴设备。

针对上述问题,本文提出了基于力-位移曲线的双模型虚拟按键触觉反馈建模

与渲染方法,搭建了笔式虚拟按键装置并验证了其性能,实现在交互界面内任意位

置处的虚拟按键触觉反馈渲染,主要贡献和创新性如下:

(1)提出了一种基于力-位移曲线的双模型虚拟按键触觉反馈建模与渲染方

法。该方法通过分析物理按键的结构特性和反馈特性将力-位移曲线划分为平滑、

跳跃和触底三个反馈区间,并分区间建立触觉反馈模型以实现对虚拟按键按下过程

的触觉反馈渲染。通过测量用户按下过程中手的接触速度和按键的加速度数据变化

为各区间的触觉反馈模型提供参数选择依据,并通过用户实验优化触觉反馈模型的

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相关参数,建立力-位移曲线、反馈模型以及驱动信号间的映射关系,根据用户在

交互时施加压力的变化设计驱动信号的加载方式,生成相应的驱动信号,并利用笔

式工具小巧灵活、实时获取压力、接触面积更大、易感知触觉反馈等特点,将绑有

振动马达的压感笔作为交互工具实现在交互界面内任意位置的实时触觉反馈。

(2)搭建了一套笔式虚拟按键触觉反馈系统平台。由压感笔、信号处理电路、

Unity3DC#

线性振动马达和平板电脑组成,用户交互界面由设计,编程语言实现具

体功能。该系统可以实时获取用户按压虚拟按键时压力的变化,并根据压力的变化

和力-位移曲线生成驱动信号,驱动振动马达产生相应的触觉反馈效果,为虚拟按

键提供实时的触觉反馈渲染。

(3)验证了单自由度弹簧-质量阻尼器系统的冲击响应模型用于模拟机械按

键交互过程中力突变效果的有效性,以及柔顺性触觉错觉模型用于模拟机械按键交

互过程中弹性效果的有效性,设计用户实验并根据实验结果对模型反馈参数进行优

化。为虚拟按键按下过程真实感触觉反馈实现方法提出了基本的解决思路和参数指

导,验证了本文所提建模与渲染方法的有效性,并分别将单一模型和双模型的虚拟

按键触觉反馈效果与真实按键按下效果进行对比,验证了本文所提的方法可以产生

更高的真实感触觉反馈,以及各个模型适用的虚拟按键反馈类型。

关键词:

触觉反馈,虚拟按键渲染,人机交互,机械振动

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Tactilefeedbackmodelingandrenderingofvirtualkeys

Abstract

Theappearanceoftouchscreenhaschangedtheinteractionmodeofelectronic

products.Comparedwiththecombinati

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